(57)【要約】【課題】リグノセルロース系バイオマスを糖化酵素処理したときに、糖溶液として得られる糖を増加できる糖溶液の製造方法及び糖溶液製造装置を提供することを目的とする。【解決手段】糖溶液の製造方法は、基質とアンモニア水とを所定の質量比で混合し得られた基質混合物を所定温度に所定時間保持して基質からリグニンを解離し、又は該基質を膨潤させて、アンモニア含有糖化前処理物を得る。アンモニア含有糖化前処理物からアンモニアを分離して得られた糖化前処理物に酸を添加してｐＨ調整すると共に糖化酵素を添加し、１５〜３０質量％の基質を含む基質・糖化酵素混合液を得る。基質・糖化酵素混合液を酵素糖化処理して糖溶液を得る。
2011142432.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基質としてのリグノセルロース系バイオマスを糖化する前に前処理を施して、該基質からリグニンが解離され、又は該基質が膨潤された糖化前処理物を得た後、該糖化前処理物を酵素糖化して糖溶液を得る糖溶液の製造方法において、
該基質と、２０〜３０質量％の範囲の濃度のアンモニア水とを、基質：アンモニア水＝１：０．７〜１：１．３の範囲の質量比で混合して基質混合物を得る工程と、
該基質混合物を加熱し、２５〜１００℃の範囲の温度に、１〜１００時間の範囲の時間保持して該基質からリグニンを解離し、又は該基質を膨潤させて、アンモニア含有糖化前処理物を得る工程と、
該アンモニア含有糖化前処理物からアンモニアを分離して糖化前処理物を得る工程と、
アンモニア分離後の糖化前処理物に、リン酸、硝酸又は硫酸の少なくとも１つの酸を添加して該糖化前処理物のｐＨを３〜７の範囲に調整すると共に、糖化酵素を添加して、全量の１５〜３０質量％の範囲の該基質を含有する基質・糖化酵素混合液を得る工程と、
該基質・糖化酵素混合液を酵素糖化処理して糖溶液を得る工程とを備えることを特徴とする糖溶液の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の糖溶液の製造方法において、前記基質・糖化酵素混合液を流動可能な状態に酵素糖化処理して一次糖化処理物を得る工程と、
該一次糖化処理物を外気に非接触の状態で次工程に移送し、酵素糖化処理して二次糖化処理物としての糖溶液を得る工程とを備えることを特徴とする糖溶液の製造方法。
【請求項３】
請求項１記載の糖溶液の製造方法において、前記基質・糖化酵素混合液を、セルロース及びヘミセルロースを分解する酵素を用いて流動可能な状態に酵素糖化処理することを特徴とする糖溶液の製造方法。
【請求項４】
請求項１記載の糖溶液の製造方法において、前記流動可能な状態に糖化された一次糖化処理物を、セルロース及びヘミセルロースを分解する酵素を用いて糖化処理することを特徴とする糖溶液の製造方法。
【請求項５】
請求項１記載の糖溶液の製造方法において、前記基質・糖化酵素混合液を流動可能な状態に糖化処理し、得られた前記一次糖化処理物の粘度が３０〜１０００Ｐａ・ｓの範囲になったときに、前記糖溶液を得る工程に移送することを特徴とする糖溶液の製造方法。
【請求項６】
基質としてのリグノセルロース系バイオマスを糖化する前に前処理を施して、該基質からリグニンが解離され、又は該基質が膨潤された糖化前処理物を得た後、該糖化前処理物を酵素糖化して糖溶液を得る糖溶液製造装置において、
該基質と、２０〜３０質量％の範囲の濃度のアンモニア水とを、基質：アンモニア水＝１：０．７〜１：１．３の範囲の質量比で混合して基質混合物を得て、得られた基質混合物を加熱して、２５〜１００℃の範囲の温度で、１〜１００時間の範囲の時間保持し、該基質からリグニンを解離し、又は該基質を膨潤させて、アンモニア含有糖化前処理物を得て、得られたアンモニア含有糖化前処理物からアンモニアを分離して、糖化前処理物を得て、アンモニア分離後の糖化前処理物のｐＨを３〜７の範囲に調整すると共に、糖化酵素を添加して、全量の１５〜３０質量％の範囲の該基質を含有する基質・糖化酵素混合液を得て、該基質・糖化酵素混合液を流動可能な状態に酵素糖化処理して一次糖化処理物を得る一次糖化処理手段と、
該一次糖化処理手段に、該アンモニア水を供給するアンモニア水供給手段と、
該一次糖化処理手段に、リン酸、硝酸又は硫酸の少なくとも１つの酸を添加して該糖化前処理物のｐＨを前記範囲に調整するｐＨ調整手段と、
該一次糖化処理手段に、糖化酵素を添加する糖化酵素添加手段と、
前記一次糖化処理物を外気に非接触の状態で移送する移送手段と、
前記移送手段により移送された前記一次糖化処理物を酵素糖化処理して二次糖化処理物としての糖溶液を得る二次糖化処理手段とを備えることを特徴とする糖溶液製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、糖溶液の製造方法及びそれに用いる糖溶液製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化防止の観点から、その原因の一つと考えられている二酸化炭素排出量を削減することが求められている。そこで、ガソリン等の液体炭化水素とエタノールとの混合燃料を自動車燃料に用いることが検討されている。【０００３】
前記エタノールとしては、植物性物質、例えばサトウキビ、トウモロコシ等の農作物を基質として、該基質の発酵により得たものを用いることができる。前記植物性物質は、原料となる植物自体が既に光合成により二酸化炭素を吸収しているので、かかる植物性物質から得られたエタノールを燃焼させたとしても、排出される二酸化炭素の量は前記植物自体が吸収した二酸化炭素の量に等しい。即ち、総計としての二酸化炭素の排出量は理論的にはゼロになるという所謂カーボンニュートラル効果を得ることができる。【０００４】
ところが、前記サトウキビ、トウモロコシ等は、エタノールの原料として大量に消費されると、食料として供給される量が減少するという問題がある。【０００５】
そこで、前記基質となる植物性物質として、サトウキビ、トウモロコシ等に代えて、食用ではないリグノセルロース系バイオマスを用いてエタノールを製造する技術が検討されている。前記リグノセルロース系バイオマスは、セルロースを含んでいるので、該セルロースを酵素糖化によりグルコース等の糖に分解し、得られた糖を発酵させることによりエタノールを得ることができる。前記リグノセルロース系バイオマスとして、例えば稲藁を挙げることができる。【０００６】
ところが、前記リグノセルロースは、セルロースの他にヘミセルロース及びリグニンを主な構成成分としており、通常該セルロース及び該ヘミセルロースは、該リグニンと強固に結合されているため、そのままでは該セルロースに対する酵素糖化反応が阻害される。従って、前記リグノセルロースを基質として酵素糖化反応させるに際しては、予め、該基質からリグニンを解離し、又は該基質を膨潤させて、酵素が該基質に接触できるようにしておくことが望ましい。【０００７】
尚、本願では、「解離」との用語は、基質であるセルロース又はヘミセルロースとリグニンとの結合の少なくとも一部を切断することを意味する。また、「膨潤」との用語は、液体の浸入によって、基質である結晶性セルロースを構成するセルロース若しくはヘミセルロースに空隙を生じ、又は基質であるセルロース繊維の内部に空隙を生じて、該結晶性セルロースが膨張することを意味する。【０００８】
そこで、従来、基質としてのリグノセルロース系バイオマスを液体アンモニアと混合して基質混合物とした後、急激に圧力を低下させることにより、該リグノセルロース系バイオマスからリグニンを物理的に除去するリグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置が知られている（特許文献１参照）。【０００９】
前記従来のリグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置では、前記リグノセルロース系バイオマスに液体アンモニアを添加して、得られた基質混合物を加熱すると共に、アンモニアが気化しないように加圧圧縮する。そして、前記基質混合物を装置外に排出する。【００１０】
このとき、前記基質混合物は、前記排出に伴って急激に減圧されるので、液体アンモニアが気化し、生成したアンモニアガスが爆発的に膨張する。この結果、前記リグノセルロース系バイオマスも共に急激に膨張させられることとなり、該リグノセルロース系バイオマスとリグニンとの結合が物理的に切断されて、該リグニンが除去された糖化前処理物が得られる。【００１１】
前記糖化前処理物からエタノールを製造する際には、まず、該糖化前処理物に糖化酵素を添加して基質・糖化酵素混合液を調製し、該糖化酵素の作用により前記基質としてのリグノセルロース系バイオマスに含まれるセルロース及びヘミセルロースを分解する。前記糖化酵素としては、例えば、アクレモニウム属やトリコデルマ属の微生物により産生されるものが用いられる。【００１２】
次に、前記セルロース及びヘミセルロースが分解された糖化処理物からバイオマス残渣を除去して、糖溶液を回収する。そして、前記糖溶液にエタノール発酵菌を添加し、エタノール発酵させることにより、エタノール水溶液を得る。得られたエタノール水溶液に蒸留等の無水化処理を行うことにより、最終的にエタノール燃料に精製することができる。【００１３】
前記リグノセルロース系バイオマスを基質として糖溶液を製造する方法として、例えば、古紙を基質として液体アンモニアと混合した基質混合物から得られた前記糖化前処理物に、アクレモニウム・セルロリティカスＣ１株により産生される糖化酵素を添加して処理する方法が知られている（例えば特許文献２参照）。【００１４】
また、前記リグノセルロース系バイオマスを基質として糖溶液を製造する方法として、例えば、稲藁を基質として液体アンモニアと混合した基質混合物から得られた前記糖化前処理物に、市販糖化酵素を添加して処理する方法が知られている（例えば特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２００５−２３２４５３号公報
【特許文献２】特許第４０２５８４８号公報
【特許文献３】特開２０１０−３５４３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
ところで、前記糖化前処理物に糖化酵素を添加して基質・糖化酵素混合液とし、該基質・糖化酵素混合液を糖化酵素処理して糖溶液を得るときには、該糖溶液として回収される糖ができるだけ多いことが好ましい。前記糖溶液として回収される糖をできるだけ多くすることにより、後工程のエタノール発酵のために必要とされるエネルギーを低減することができる。そこで、前記基質・糖化酵素混合液において、基質としての前記リグノセルロース系バイオマスの濃度をできる限り高くすることが望まれる。【００１７】
しかしながら、前記基質・糖化酵素混合液において、単に基質としての前記リグノセルロース系バイオマスの濃度を高くしたのでは、前記糖溶液として回収される糖が低減するという不都合がある。【００１８】
本発明は、かかる事情に鑑み、基質としての前記リグノセルロース系バイオマスを糖化酵素処理したときに、前記糖溶液として得られる糖を増加させることができる糖溶液の製造方法を提供することを目的とする。【００１９】
また、本発明は、前記糖溶液の製造方法に用いる糖溶液製造装置を提供することにもある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
かかる目的を達成するために、本発明は、基質としてのリグノセルロース系バイオマスを糖化する前に前処理を施して、該基質からリグニンが解離され、又は該基質が膨潤された糖化前処理物を得た後、該糖化前処理物を酵素糖化して糖溶液を得る糖溶液の製造方法において、該基質と、２０〜３０質量％の範囲の濃度のアンモニア水とを、基質：アンモニア水＝１：０．７〜１：１．３の範囲の質量比で混合して基質混合物を得る工程と、該基質混合物を加熱し、２５〜１００℃の範囲の温度に、１〜１００時間の範囲の時間保持して該基質からリグニンを解離し、又は該基質を膨潤させて、アンモニア含有糖化前処理物を得る工程と、該アンモニア含有糖化前処理物からアンモニアを分離して糖化前処理物を得る工程と、アンモニア分離後の糖化前処理物に、リン酸、硝酸又は硫酸の少なくとも１つの酸を添加して該糖化前処理物のｐＨを３〜７の範囲に調整すると共に、糖化酵素を添加して、全量の１５〜３０質量％の範囲の該基質を含有する基質・糖化酵素混合液を得る工程と、該基質・糖化酵素混合液を流動可能な状態に酵素糖化処理して一次糖化処理物を得る工程と、該一次糖化処理物を外気に非接触の状態で次工程に移送し、酵素糖化処理して二次糖化処理物としての糖溶液を得る工程とを備えることを特徴とする。【００２１】
本発明の糖溶液の製造方法では、まず、基質としてのリグノセルロース系バイオマスと、アンモニア水とを混合して、基質混合物を得る。【００２２】
前記基質混合物を得るために、従来の糖溶液の製造方法のように、液体アンモニアを用いると、基質混合物から分離されたアンモニアガスを、液体アンモニアとして再利用するためには、約２ＭＰａに加圧して液化させなければならず、コストが増大するという問題がある。【００２３】
前記問題を解決するために、本発明の糖溶液の製造方法では、液体アンモニアに代えてアンモニア水を用いる。前記アンモニア水は、常圧で回収することができ、アンモニアに比較して容易に再利用に供することができる。【００２４】
そこで、本発明の糖溶液の製造方法では、基質としてのリグノセルロース系バイオマスと、２０〜３０質量％の範囲の濃度のアンモニア水とを、基質：アンモニア水＝１：０．７〜１：１．３の質量比で混合することにより、基質混合物を得る。前記基質混合物を得るでは、前記アンモニア水に前記リグノセルロース系バイオマスが分散されると共に、該リグノセルロース系バイオマスに該アンモニア水が均一に含浸されている。【００２５】
次に、本発明の糖溶液の製造方法では、前記基質混合物を加熱することにより、該基質からリグニンを解離し、又は該基質を膨潤させて、アンモニア含有糖化前処理物を得る。前記基質混合物を加熱すると、セルロース又はヘミセルロースとリグニンとの結合の少なくとも一部が化学的に切断されて解離される。また、前記リグノセルロース系バイオマスにおいて、アンモニア水の浸入によって結晶性セルロースを構成するセルロース若しくはヘミセルロースに空隙を生じ、又はセルロース繊維の内部に空隙を生じて、該結晶性セルロースが膨張し、膨潤する。【００２６】
ここで、前記アンモニア水の濃度が２０質量％未満であるときは、前記基質からのリグニンの解離又は該基質の膨潤が不十分になる。一方、前記アンモニア水の濃度が３０質量％を超えても、前記基質からのリグニンの解離又は該基質の膨潤について、それ以上の効果を得ることはできない。【００２７】
また、リグノセルロース系バイオマス１質量部に対して添加される前記アンモニア水が０．７質量部未満であるときは、該アンモニア水が過少になり、該基質に該アンモニア水を均一に含浸させることができない。この結果、前記基質からのリグニンの解離又は該基質の膨潤が不十分になる。【００２８】
一方、前記基質１質量部に対して添加される前記アンモニア水が１．３質量部を超えても、前記基質からのリグニンの解離又は該基質の膨潤について、それ以上の効果を得ることはできない。また、前記基質１質量部に対して添加される前記アンモニア水が１．３質量部を超えると、前記基質混合物の加熱に要するエネルギーが過大になる。【００２９】
また、前記基質混合物の加熱は、２５〜１００℃の範囲の温度に、１〜１００時間の範囲の時間で保持することにより行う。この結果、前記基質から十分にリグニンを解離し、又は該基質を十分に膨潤させることができる。【００３０】
前記加熱における温度が２５℃未満であるときには、前記基質からリグニンを解離し、又は該基質を膨潤させるために前記温度に１００時間を超える時間保持しなければならず、該基質からリグニンを解離し、又は該基質を膨潤させるために要する熱エネルギーが過大になる。一方、前記加熱における温度が１００℃を超えるときには、前記基質からリグニンを解離し、又は該基質を膨潤させるために前記温度に保持する時間が１時間未満となり、保持時間の管理が困難になる。前記加熱における温度が１００℃を超えるときには、適正な保持時間を超えると、前記基質混合物に含まれる該基質が部分的に互いに焼き付いたり、反応容器に焼き付く等の不都合がある。【００３１】
次に、本発明の糖溶液の製造方法では、前記アンモニア含有糖化前処理物からアンモニアを分離して糖化前処理物を得た後、アンモニアが分離された前記糖化前処理物に、リン酸、硝酸又は硫酸の少なくとも１つの酸を添加して該糖化前処理物のｐＨを３〜７の範囲に調整すると共に、糖化酵素を添加して、全量の１５〜３０質量％の範囲の該基質を含有する基質・糖化酵素混合液を得る。【００３２】
前記糖化酵素は、前記ｐＨの範囲で前記基質・糖化酵素混合液を糖化することができる。そこで、基質・糖化酵素混合液を前記糖化酵素により糖化処理することにより、糖溶液を得ることができる。【００３３】
本発明の糖溶液の製造方法では、前記基質・糖化酵素混合液に含まれる前記基質の濃度を１５〜３０質量％の範囲とすることにより、該基質・糖化酵素混合液を糖化酵素処理したときに、前記糖溶液としてより多くの糖を得ることができる。【００３４】
前記基質・糖化酵素混合液において、前記基質の濃度が１５質量％未満であるときには、該基質が少量であり、前記糖化酵素処理により得られる糖自体が少ないため、前記糖溶液として得られる糖が減少する。【００３５】
一方、前記基質の濃度が３０質量％を超えるときには、前記糖化酵素処理の結果として該基質から生じるバイオマス残渣が増加し、該残渣に吸着して失われる糖が増加する。この結果、前記糖溶液として得られる糖が減少する。【００３６】
ところで、前記アンモニアが分離された前記糖化前処理物は、実質的に流動性を備えていないので、そのままでは酵素糖化処理を行う工程に移送することが困難である。また、前記糖化前処理物を搬送容器等に収容して酵素糖化処理を行う工程に移送すると、移送する間に外気に接触し、雑菌が混入する虞がある。雑菌が混入すると、前記糖化前処理物を酵素糖化処理したときに、生成した糖が前記雑菌により消費されるので、前記糖溶液として得られる糖が減少する。【００３７】
そこで、本発明の糖溶液の製造方法では、前記基質・糖化酵素混合液を流動可能な状態に酵素糖化処理して一次糖化処理物を得る工程と、該一次糖化処理物を外気に非接触の状態で次工程に移送し、酵素糖化処理して二次糖化処理物としての糖溶液を得る工程とを備えることが好ましい。【００３８】
前記のように流動可能な状態に糖化処理された前記一次糖化処理物は、ポンプ等により、容易に次工程に移送することができる。そこで、流動可能な状態に糖化処理された前記一次糖化処理物を、外気に非接触で、次工程に移送することにより、雑菌が混入することを防止することができる。この結果、前記一次糖化処理物をさらに酵素糖化処理する際に、生成された糖が雑菌により消費されることを抑制することができ、糖溶液としてさらに多くの糖を得ることができる。【００３９】
また、前記基質・糖化酵素混合液を流動可能な状態に酵素糖化処理して一次糖化処理物を得る工程と、該一次糖化処理物を酵素糖化処理して二次糖化処理物としての糖溶液を得る工程とでは、酵素処理の条件が異なっている。すなわち、前記基質・糖化酵素混合液を流動可能な状態にするまでは、より厳しい条件で処理することが必要とされるが、一旦流動可能な状態になれば、より緩やかな条件で処理することができる。【００４０】
従って、前記糖化酵素処理は、前記基質・糖化酵素混合液を流動可能な状態に酵素糖化処理して前記一次糖化処理物を得る工程と、該一次糖化処理物を酵素糖化処理して二次糖化処理物としての糖溶液を得る工程とに分けることにより、効率よく処理することができる。【００４１】
本発明の糖溶液の製造方法では、前記基質・糖化酵素混合液と、前記流動可能な状態に糖化された一次糖化処理物とを、いずれもセルロース及びヘミセルロースを分解する酵素を用いて糖化処理することが好ましい。このようにすることにより、前記基質・糖化酵素混合液と、前記一次糖化処理物とのいずれにおいても、セルロースとヘミセルロースとの両方から糖を得ることができ、前記糖溶液としてより多くの糖を得ることができる。【００４２】
また、本発明の糖溶液の製造方法では、前記基質・糖化酵素混合液を流動可能な状態に糖化処理し、得られた前記一次糖化処理物の粘度が３０〜１０００Ｐａ・ｓの範囲になったときに、前記糖溶液を得る工程に移送することが好ましい。【００４３】
前記一次糖化処理物の粘度が３０〜１０００Ｐａ・ｓを超えると、ポンプ等による移送が困難になることがある。また、前記一次糖化処理物の粘度を３０Ｐａ・ｓ未満にするには、所定温度に長時間保持する必要があるため、製造コストを低減することが難しくなる。【００４４】
本発明の糖溶液の製造方法は、本発明の糖溶液製造装置を用いることにより、有利に実施することができる。【００４５】
本発明の糖溶液製造装置は、基質としてのリグノセルロース系バイオマスを糖化する前に前処理を施して、該基質からリグニンが解離され、又は該基質が膨潤された糖化前処理物を得た後、該糖化前処理物を酵素糖化して糖溶液を得る糖溶液製造装置において、該基質と、２０〜３０質量％の範囲の濃度のアンモニア水とを、基質：アンモニア水＝１：０．７〜１：１．３の範囲の質量比で混合して基質混合物を得て、得られた基質混合物を加熱して、２５〜１００℃の範囲の温度で、１〜１００時間の範囲の時間保持し、該基質からリグニンを解離し、又は該基質を膨潤させて、アンモニア含有糖化前処理物を得て、得られたアンモニア含有糖化前処理物からアンモニアを分離して、糖化前処理物を得て、アンモニア分離後の糖化前処理物のｐＨを３〜７の範囲に調整すると共に、糖化酵素を添加して、全量の１５〜３０質量％の範囲の該基質を含有する基質・糖化酵素混合液を得て、該基質・糖化酵素混合液を流動可能な状態に酵素糖化処理して一次糖化処理物を得る一次糖化処理手段と、該一次糖化処理手段に、該アンモニア水を供給するアンモニア水供給手段と、該一次糖化処理手段に、リン酸、硝酸又は硫酸の少なくとも１つの酸を添加して該糖化前処理物のｐＨを前記範囲に調整するｐＨ調整手段と、該一次糖化処理手段に、糖化酵素を添加する糖化酵素添加手段と、前記一次糖化処理物を外気に非接触の状態で移送する移送手段と、前記移送手段により移送された前記一次糖化処理物を酵素糖化処理して二次糖化処理物としての糖溶液を得る二次糖化処理手段とを備えることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の糖溶液製造装置の一構成例を示すシステム構成図。
【図２】基質混合物において、リグノセルロース系バイオマスに添加されるアンモニア水の濃度と、酵素糖化における糖化率との関係を示すグラフ。
【図３】基質混合物において、リグノセルロース系バイオマス１質量部に対して添加されるアンモニア水の質量と、酵素糖化における糖化率との関係を示すグラフ。
【図４】アンモニア含有糖化前処理物を得るときに、基質混合物を、８０℃、１００℃、１２０℃の各温度で加熱したときの保持時間と、酵素糖化における糖化率との関係を示すグラフ。
【図５】アンモニア含有糖化前処理物を得るときに、基質混合物を、２５℃、５０℃、６０℃、８０℃、１００℃の各温度で加熱したときの保持時間と、酵素糖化における糖化率との関係を示すグラフ。
【図６】基質・糖化酵素混合液のｐＨと、得られた糖溶液の濃度との関係を示すグラフ。
【図７】一次糖化処理物を外気に非接触又は外気に接触し得る状態で次工程に移送したときに得られた糖溶液の濃度の比較を示すグラフ。
【図８】基質・糖化酵素混合液の基質含有量と、得られた糖溶液における糖回収率との関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
【００４８】
本実施形態の糖溶液の製造方法では、図１に示す糖溶液製造装置１を用いて、リグノセルロース系バイオマスから糖溶液を製造する。次に、糖溶液製造装置１の構成について説明する。
【００４９】
糖溶液製造装置１は、一次糖化処理手段としての反応槽２と、アンモニア水供給手段としてのアンモニア水タンク３と、ｐＨ調整手段としての硫酸タンク４と、糖化酵素添加手段としての酵素タンク５と、移送手段としての移送導管６と、二次糖化処理手段としての酵素糖化槽７とを備えている。糖溶液製造装置１は、さらに、反応槽２で分離されたアンモニアを回収する吸収塔８と、反応槽２に水を供給する水タンク９とを備えている。
【００５０】
反応槽２は、逆円錐形状に形成された容器であり、内部に垂下された垂直軸２１と、上部に配置され垂直軸２１を回転駆動するモータ２２とを備えており、垂直軸２１には、水平方向に延出された攪拌翼２１ａが設けられている。
【００５１】
また、反応槽２は、その外側に内部の加熱又は温度調整を行うためのジャケット２３を備えている。ジャケット２３は、内部に水蒸気を流通することにより反応槽２内部の加熱又は温度調整を行うことができ、上部に水蒸気を供給する水蒸気供給導管２３ａが接続される一方、下部にはドレン排出導管２３ｂが接続されている。
【００５２】
また、反応槽２は、その上部に、基質としてのリグノセルロース系バイオマスを供給する基質供給導管２４と、アンモニア水供給導管２５と、アンモニアガス導管２６とを備えている。アンモニア水供給導管２５は、流量計２５ａ、ポンプ２５ｂを介してアンモニア水タンク３に接続されており、アンモニア水タンク３から供給されるアンモニア水を反応槽２に案内する。また、アンモニアガス導管２６は、吸収塔８に接続されており、反応槽２で発生したアンモニアガスを吸収塔８に導出する。
【００５３】
アンモニアガス導管２６は、反応槽２と吸収塔８との間で、第１の排気管路２７ａと、第２の排気管路２７ｂとに分岐している。第１の排気管路２７ａは途中に開閉弁２８ａを備えている。また、第２の排気管路２７ｂは途中に開閉弁２８ｂを備えると共に、開閉弁２８ｂの下流側に真空ポンプ２９を備えている。
【００５４】
吸収塔８は、下部にアンモニア水貯留部８１を備えると共に、上部にイオン交換水供給導管８２を備えている。アンモニア水貯留部８１には、アンモニア水還流導管８３が配設されており、アンモニア水還流導管８３はポンプ８４を介してアンモニア水タンク３に接続されている。
【００５５】
さらに、反応槽２は、その上部に硫酸タンク４から硫酸を供給する硫酸導管４１と、酵素タンク５から酵素を添加する酵素導管５１と、水タンク９から水を供給する水導管９１とを備えている。硫酸導管４１は、硫酸タンク４の下流にポンプ４２と、流量計４３とを備え、開閉弁４４を介して反応槽２に接続されている。酵素導管５１は、酵素タンク５の下流にポンプ５２と、流量計５３とを備え、開閉弁５４を介して反応槽２に接続されている。また、水導管９１は、水タンク９の下流にポンプ９２と、流量計９３とを備え、開閉弁９４を介して反応槽２に接続されている。
【００５６】
また、反応槽２は、下部に、ｐＨセンサ２ａと温度センサ２ｂとを備えると共に、最下部に、一次糖化処理物を排出する排出口２ｃを備えている。排出口２ｃは、開閉自在の開閉ダンパ２ｄを備えている。
【００５７】
アンモニア水タンク３は、上述のアンモニア水供給導管２５を介して反応槽２に接続される一方、アンモニア水還流導管８３を介して吸収塔８のアンモニア水貯留部８１に接続されている。また、アンモニア水タンク３は、アンモニア水還流導管８３を介して供給されるアンモニア水の濃度調整のために、アンモニア濃度センサ３１と、濃アンモニア水供給導管３２とを備えている。
【００５８】
移送導管６は、一端部が開閉ダンパ２ｄを介して反応槽２の排出口２ｃに接続されると共に、他端部が酵素糖化槽７の上部に接続されている。また、移送導管６は、途中にポンプ６１を備えている。
【００５９】
酵素糖化槽７は、その上部に、移送導管６が接続されると共に、酵素導管７１を備えている。酵素導管７１は、酵素導管５１の流量計５３の下流で酵素導管５１から分岐し、開閉弁７２を介して酵素糖化槽７に接続されている。酵素糖化槽７は、下部に、ｐＨセンサ７ａと温度センサ７ｂとを備えると共に、最下部に、二次糖化処理物としての糖溶液を排出する排出導管７３を備えている。排出導管７３は、ポンプ７４を介して、次工程のエタノール発酵工程（図示せず）に接続されている。
【００６０】
次に、本実施形態の糖溶液製造装置１の作動について説明する。
【００６１】
本実施形態の糖溶液製造装置１では、まず、基質供給導管２４から、リグノセルロース系バイオマスである稲藁を基質として反応槽２に供給すると共に、アンモニア水供給導管２５からアンモニア水を反応槽２に供給する。本実施形態では、稲藁１質量部に対し、アンモニア水を０．７〜１．３質量部の範囲の質量比で、反応槽２に供給する。前記アンモニア水は２０〜３０質量％、例えば２５質量％の濃度である。
【００６２】
そして、モータ２２を駆動することにより攪拌翼２１ａを回転させて、稲藁とアンモニア水とを攪拌し、稲藁とアンモニア水とが混合された基質混合物を得る。尚、以下の反応槽２における全ての処理は、攪拌翼２１ａの回転による撹拌下に行われる。
【００６３】
本実施形態では、前記基質としての稲藁は、カッターミルにより粉砕されて、少なくとも粒径１ｍｍ以上の粒子が累積３０％以上となるようにされている。前記稲藁は、前記のように粉砕されていることにより、反応槽２内でアンモニア水と、低回転数でかつ短時間攪拌することにより、凝集することなく前記基質混合物を得ることができる。前記稲藁は、前記範囲より細かく粉砕されていると、アンモニア水と攪拌したときに微粉砕された稲藁が凝集して粘土状となるために、攪拌することが困難となることがある。
【００６４】
次に、反応槽２内の基質混合物を所定の温度、例えば、２５〜１００℃の範囲の温度、好ましくは６０〜９０℃の範囲の温度に、１〜１００時間の範囲の時間、好ましくは６〜２４時間の範囲の時間で保持して加熱する。前記基質混合物の加熱は、例えば、６０℃の温度に２４時間保持するか、又は８０℃の温度に８時間保持することにより行われる。前記加熱は、反応槽２内の基質混合物の温度を温度センサ２ｂで検出しつつ、水蒸気供給導管２３ａを介してジャケット２３に水蒸気を供給することにより行うことができる。
【００６５】
この結果、セルロース又はヘミセルロースにリグニンが強固に結合した基質からリグニンを解離し、又は該基質を膨潤させたアンモニア含有糖化前処理物を得ることができる。前記のように基質からリグニンを解離し、又は基質を膨潤させることにより、該基質に含まれるセルロース又はヘミセルロースを酵素糖化することが可能になる。
【００６６】
反応槽２内の前記基質混合物を前記のように加熱すると、前記アンモニア含有糖化前処理物が得られたときには反応槽２内部は加圧状態となっている。そこで、アンモニアガス導管２６から分岐する第１の排気管路２７ａの開閉弁２８ａを開弁すると共に、第２の排気管路２７ｂの開閉弁２７ｂを閉弁すると、前記アンモニア含有糖化前処理物に含まれているアンモニアガスが自然に放散される。この結果、自然に放散される前記アンモニアガスが、アンモニアガス導管２６から第１の排気管路２７ａを介して吸収塔８に導出される。
【００６７】
前記のようにアンモニアガスを導出すると、反応槽２内部の圧力は時間経過と共に低下し、アンモニアガスの放散量も低下する。そこで、アンモニアガスの放散量が所定量未満に低下したならば、第１の排気管路２７ａの開閉弁２８ａを閉弁すると共に、第２の排気管路２７ｂの開閉弁２８ｂを開弁し、真空ポンプ２９を駆動する。このようにすることにより、さらに、第２の排気管路２７ｂを介して吸収塔８にアンモニアガスを導出することができる。この結果、アンモニア含有糖化前処理物からアンモニアを十分に放散させて、アンモニアが分離された糖化前処理物を得ることができる。
【００６８】
このとき、前記基質としての稲藁が前記のように粉砕されていることにより、アンモニア含有糖化前処理物からアンモニアを十分に放散させることができ、糖化前処理物内に残留するアンモニアを低減することができる。一方、前記基質としての稲藁が前記範囲より細かく粉砕されていて、アンモニア水との混合により粘土状となっていると、アンモニアが粘土状の稲藁内部に残留し、十分に放散させることができないことがある。
【００６９】
前述のように、反応槽２内で前記アンモニア含有糖化前処理物から分離されたアンモニアガスは吸収塔８に案内され、イオン交換水供給導管８２により吸収塔８の上部から散布されるイオン交換水に吸収されてアンモニア水として回収される。前記のように回収されたアンモニア水は、アンモニア水貯留部８１に貯留され、アンモニア水還流導管８３及びポンプ８４によりアンモニア水タンク３に還流される。
【００７０】
アンモニアタンク３に還流されたアンモニア水は、アンモニア濃度センサ３１により検出されるアンモニア濃度に対応して濃アンモニア水供給導管３２から供給される濃アンモニア水により、２０〜３０質量％の濃度、例えば２５質量％の濃度に調整される。そして、前記濃度に調整されたアンモニア水が、アンモニア水供給導管２５を介して反応槽２に供給され、前記基質との混合に再利用される。
【００７１】
次に、反応槽２内の糖化前処理物のｐＨを３〜７の範囲に調整する。前記ｐＨの調整は、硫酸導管４１の開閉弁４４を開弁し、反応槽２内の糖化前処理物のｐＨをｐＨセンサ２ａで検出しつつ、硫酸タンク４から硫酸導管４１及びポンプ４２により、反応槽２に硫酸を供給することにより行うことができる。このとき、反応槽２内の糖化前処理物のｐＨをｐＨセンサ２ａで検出することに代えて、流量計４３により所定量の硫酸を供給するようにしてもよい。尚、開閉弁４４は、硫酸の供給終了後に閉弁する。
【００７２】
また、硫酸に代えて、リン酸又は硝酸を用いてもよく、硫酸、リン酸、硝酸のうち２種以上の酸を混合して用いてもよい。
【００７３】
次に、反応槽２内の糖化前処理物に糖化酵素を添加する。前記糖化酵素の添加は、酵素導管５１の開閉弁５４を開弁し、酵素タンク５から酵素導管５１及びポンプ５２により、反応槽２に所定量の酵素水溶液を供給することにより行うことができる。前記酵素の添加量は、流量計５３により計量することができる。
【００７４】
前記糖化酵素は、セルロース及びヘミセルロースを分解する酵素として、セルラーゼ、ヘミセルラーゼ等を用いることができる。このような糖化酵素として、例えば、ＧＣ２２０（商品名、ジェネンコア社製）、アクレモニウム（商品名、Meiji seika ファルマ株式会社製）等を挙げることができる。尚、開閉弁５４は、酵素の添加終了後に閉弁する。
【００７５】
前記硫酸の供給及び糖化酵素の添加により、基質・糖化酵素混合液を得ることができ、該基質・糖化酵素混合液に含有される基質の濃度を、該基質・糖化酵素混合液の全量の１５〜３０質量％の範囲とすることができる。
【００７６】
前記基質・糖化酵素混合液は、前記基質の濃度を前記範囲とするために、必要に応じて水を添加して水分調整を行ってもよい。前記水分調整は、水導管９１の開閉弁９４を開弁し、水タンク９から水導管９１及びポンプ９２により、反応槽２に所定量の水を供給することにより行うことができる。前記水の添加量は、流量計９３により計量することができる。尚、開閉弁９４は、水の供給終了後に閉弁する。
【００７７】
次に、前記基質・糖化酵素混合液を、反応槽２内で、２５〜６０℃の範囲の温度、例えば２５℃の温度に、５〜１０時間の範囲の時間、例えば８時間保持し、或いは例えば４５℃の温度に、１〜４時間の範囲の時間、例えば２時間保持し、或いは例えば６０℃の温度に、０．３〜０．８時間の範囲の時間、例えば０．５時間保持して加熱する。この結果、前記糖化前処理物が流動可能な状態に酵素糖化処理された一次糖化処理物を得ることができる。前記一次糖化処理物は、流動可能な状態に酵素糖化処理されていればよく、例えば、３０〜１０００ｍＰａ・ｓの範囲の粘度を備えるスラリー状又は液状とされている。
【００７８】
次に、反応槽２の排出口２ｃに設けられた開閉ダンパ２ｄを開くと共に、移送導管６のポンプ６１を駆動することにより、移送導管６を介して前記一次糖化処理物を反応槽２から酵素糖化槽７に移送する。前記一次糖化処理物は、前記のように移送導管６を介して移送することにより、外気に接触することなく酵素糖化槽７に移送することができる。
【００７９】
次に、酵素糖化槽７内において、前記一次糖化処理物をさらに酵素糖化処理する。酵素糖化槽７における酵素糖化処理は、反応槽２において前記糖化前処理物に添加され、該糖化前処理物から前記一次糖化処理物に引き継がれて含有されている糖化酵素をそのまま用いてもよい。
【００８０】
また、必要に応じて、酵素導管７１の開閉弁７２を開弁し、酵素タンク５から酵素導管５１，７１及びポンプ５２により、酵素糖化槽７に所定量の酵素を供給するようにしてもよい。前記酵素の添加量は、流量計５３により計量することができる。尚、開閉弁７２は、酵素の添加終了後に閉弁する。
【００８１】
次に、前記一次糖化処理物を、酵素糖化槽７内で、３０〜５０℃の範囲の温度、例えば４０℃の温度に、８０〜１５０時間の範囲の時間、例えば１４４時間保持し、或いは例えば５０℃の温度に、５０〜１５０時間の範囲の時間、例えば７２時間保持して加熱する。この結果、前記一次糖化処理物が酵素糖化処理された二次糖化処理物としての糖溶液を得ることができる。
【００８２】
前記二次糖化処理物を得るときには、前述のように前記一次糖化処理物を外気に接触しないようにして酵素糖化槽７に移送することにより、該一次糖化処理物に雑菌が混入することを防止することができる。この結果、酵素糖化槽７における酵素糖化処理の際に、生成された糖が雑菌により消費されることを抑制して、前記糖溶液としてさらに多くの糖を得ることができる。
【００８３】
前記糖溶液は、排出導管７３及びポンプ７４を介してエタノール発酵工程に移送され、前記糖化処理の結果として生じるバイオマス残差を除去した後、エタノール発酵に供される。このとき、本実施形態の糖溶液の製造方法では、前記基質・糖化酵素混合液に含有される基質の濃度が１５〜３０質量％とされている。従って、生成した糖が前記バイオマス残渣に吸着して失われることを抑制することができ、６〜１７質量％の範囲の濃度の糖を含む糖溶液を、エタノール発酵に供することができる。
【００８４】
次に、図１に示す糖溶液製造装置１を用いる糖溶液の製造方法の一例について説明する。
【００８５】
本実施形態では、まず、基質としての前記稲藁と前記アンモニア水とを、稲藁：アンモニア水＝１：１の質量比で反応槽２に供給して、基質混合物を得た。アンモニア水の濃度は、３０質量％以下の範囲で変量した。
【００８６】
次に、前記基質混合物を、反応槽２内で所定温度に所定時間保持して加熱することにより、前記基質からリグニンが解離され、又は該基質を膨潤させたアンモニア含有糖化前処理物を得た。前記温度は２５〜１２０℃の間で変化させ、前記時間は０〜１０００時間の範囲で変化させた。
【００８７】
次に、反応槽２内で前記アンモニア含有糖化前処理物からアンモニアガスを放散させて、
糖化前処理物を得た。次に、硫酸タンク４から硫酸導管４１及びポンプ４２を介して反応槽２に硫酸を供給することにより、ｐＨを調整した。次に、水タンク９から水導管９１及びポンプ９２を介して反応槽２に水を供給することにより水分を調整し、さらに酵素タンク５から酵素導管５１及びポンプ５２を介して反応槽２に所定量の糖化酵素を供給して、基質・糖化酵素混合液を得た。前記糖化酵素としては、アクレモニウム（商品名、Meiji seika ファルマ株式会社製）を用いた。
【００８８】
前記基質・糖化酵素混合液のｐＨは、３〜７の範囲で変化させた。また、前記基質・糖化酵素混合液は、全量に対する基質の含有量を１０〜３５質量％の範囲で変量した。
【００８９】
次に、反応槽２内で前記基質・糖化酵素混合液を、４５℃の温度に２時間保持して、流動可能な状態に酵素糖化処理された一次糖化処理物を得た。前記一次糖化処理物の粘度は、３０〜１０００Ｐａ・ｓの範囲であった。
【００９０】
次に、前記一次糖化処理物を、移送導管６を介して酵素糖化槽７に移送し、４０℃の温度に１４４時間保持して、さらに酵素糖化処理を行うことにより、二次糖化処理物としての糖溶液を得た。
【００９１】
次に、前記糖溶液の製造方法における前記アンモニア水の濃度と、前記糖溶液における糖化率との関係を図２に示す。前記糖化率は、前記基質からのリグニンの解離又は基質の膨潤の状態の指標であり、該糖化率が高いほど前記基質からのリグニンの解離又は基質の膨潤が良好であることを示す。
【００９２】
図２において、アンモニア水の濃度が２０質量％未満の範囲では、アンモニア水の濃度が高くなるほど前記糖化率も高くなるが、２０〜３０質量％の範囲では前記糖化率が略一定となっている。従って、アンモニア水の濃度を２０〜３０質量％の範囲とすることにより、前記基質からリグニンを十分に解離させ、又は該基質を十分に膨潤させることができることが明らかである。
【００９３】
次に、前記糖溶液の製造方法において、基質としての稲藁１質量部に対して添加される２５質量％の濃度のアンモニア水の量と、前記糖溶液における糖化率との関係を図３に示す。
【００９４】
図３において、稲藁１質量部に対し、アンモニア水が０．７質量部未満の範囲では、アンモニア水の量が増加するほど前記糖化率も高くなるが、アンモニア水が０．７質量部以上の範囲では前記糖化率が略一定となっている。従って、稲藁１質量部に対するアンモニア水の量を０．７〜１．３質量部の範囲とすることにより、前記基質からリグニンを十分に解離させ、又は該基質を十分に膨潤させることができ、１．３質量部を超えてもそれ以上の効果は得られないことが明らかである。
【００９５】
次に、前記糖溶液の製造方法において、稲藁に対して２５質量％の濃度のアンモニア水を１：１の質量比で添加し、得られた基質混合物を加熱したときの保持時間と、前記糖溶液における糖化率との関係を、図４及び図５に示す。図４は、加熱温度を８０℃、１００℃、１２０℃とした場合を示し、図５は加熱温度を２５℃、５０℃、６０℃、８０℃、１００℃とした場合を示す。
【００９６】
図４において、加熱温度が８０〜１２０℃の範囲の場合には、各温度に８時間保持することにより、糖化率が飽和しており、１００℃の場合と１２０℃の場合とでは殆ど差が無い。また、図５において、加熱温度が２５℃の場合には１００時間で、１００℃の場合には１時間で糖化率が飽和しており、５０〜８０℃の範囲の場合には、それぞれの温度により１〜１００時間の範囲の時間で糖化率が飽和している。
【００９７】
従って、前記基質混合物は、２５〜１００℃の範囲の温度に、１〜１００時間の範囲の時間で保持することにより、前記基質からリグニンを十分に解離させ、又は該基質を十分に膨潤させることができることが明らかである。
【００９８】
次に、前記糖溶液の製造方法において、前記基質・糖化酵素混合液のｐＨを３〜７の範囲で変化させたときに、ｐＨと得られた糖溶液の濃度との関係を図６に示す。図６から、前記基質・糖化酵素混合液のｐＨを３．７０〜６．５５の範囲とすることにより、１０〜１７質量％の範囲の濃度の糖溶液を得ることができることが明らかである。
【００９９】
次に、前記糖溶液の製造方法において、反応槽２で得られた前記一次糖化処理物を移送導管６を介して外気に接触させることなく酵素糖化槽７に移送し、酵素糖化槽７内で４０℃の温度に１４４時間保持して糖化処理した。得られた糖溶液の濃度を図７に示す。
【０１００】
また、前記糖溶液の製造方法において、反応槽２で得られた前記糖化前処理物を前記一次糖化処理物とすることなく、外気に接触し得る状態で酵素糖化槽７に移送し、酵素糖化槽７内で４０℃の温度に１４４時間保持して糖化処理した。得られた糖溶液の濃度を図７に示す。
【０１０１】
図７から、前記一次糖化処理物を外気に接触させることなく酵素糖化槽７に移送して、酵素糖化処理に供することにより、外気に接触し得る状態で移送した場合に比較して、高い濃度の糖溶液を得ることができることが明らかである。
【０１０２】
次に、前記糖溶液の製造方法において、前記基質・糖化酵素混合液のｐＨを約４に調整すると共に、該基質・糖化酵素混合液の全量に対する基質の含有量を１０〜３５質量％の範囲で変量し、酵素糖化槽７内で５０℃の温度に７２時間保持して酵素糖化処理を行った。前記糖化処理後、得られた二次糖化処理物を遠心分離（８０００×ｇ、２０分）することによりバイオマス残渣を分離、除去して、糖溶液を得た。
【０１０３】
各基質含有量に対応して、各糖溶液中に得られた糖の、前記基質・糖化酵素混合液の全量に対する回収率を図８に示す。図８から、前記基質・糖化酵素混合液の全量に対する基質の含有量を１５〜３０質量％の範囲とすることにより、前記範囲外の場合に比較して糖の回収率を高くすることができ、糖溶液としてより多くの糖を得ることができることが明らかである。
【符号の説明】
【０１０４】
１…糖溶液製造装置、  ２…反応槽（一次糖化処理手段）、  ３…アンモニア水タンク（アンモニア水供給手段）、  ４…硫酸タンク（ｐＨ調整手段）、  ５…酵素タンク（糖化酵素添加手段）、  ６…移送導管（移送手段）、  ７…酵素糖化槽（二次糖化処理手段）。
【図１】
2011142432.tif 000003
【図２】
2011142432.tif 000004
【図３】
2011142432.tif 000005
【図４】
2011142432.tif 000006
【図５】
2011142432.tif 000007
【図６】
2011142432.tif 000008
【図７】
2011142432.tif 000009
【図８】
2011142432.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成24年8月10日(2012.8.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基質としてのリグノセルロース系バイオマスを糖化する前に前処理を施して、該基質からリグニンが解離され、又は該基質が膨潤された糖化前処理物を得た後、該糖化前処理物を酵素糖化して糖溶液を得る糖溶液の製造方法において、
該基質と、２０〜３０質量％の範囲の濃度のアンモニア水とを、基質：アンモニア水＝１：０．７〜１：１．３の範囲の質量比で混合して基質混合物を得る工程と、
該基質混合物を加熱し、２５〜１００℃の範囲の温度に、１〜１００時間の範囲の時間保持して該基質からリグニンを解離し、又は該基質を膨潤させて、アンモニア含有糖化前処理物を得る工程と、
該アンモニア含有糖化前処理物からアンモニアガスを自然に放散させることによりアンモニアを分離して実質的に非流動性の糖化前処理物を得る工程と、
アンモニア分離後の糖化前処理物に、リン酸、硝酸又は硫酸の少なくとも１つの酸を添加して該糖化前処理物のｐＨを３〜７の範囲に調整すると共に、糖化酵素を添加して、全量の１５〜３０質量％の範囲の該基質を含有する基質・糖化酵素混合液を得る工程と、
該基質・糖化酵素混合液を流動可能な状態に酵素糖化処理して一次糖化処理物を得る工程と、
該一次糖化処理物を外気に非接触の状態で次工程に移送し、酵素糖化処理して二次糖化処理物としての糖溶液を得る工程とを備えることを特徴とする糖溶液の製造方法。
【請求項２】
（削除）
【請求項３】
請求項１記載の糖溶液の製造方法において、前記基質・糖化酵素混合液を、セルロース及びヘミセルロースを分解する酵素を用いて流動可能な状態に酵素糖化処理することを特徴とする糖溶液の製造方法。
【請求項４】
請求項１記載の糖溶液の製造方法において、前記流動可能な状態に糖化された一次糖化処理物を、セルロース及びヘミセルロースを分解する酵素を用いて糖化処理することを特徴とする糖溶液の製造方法。
【請求項５】
請求項１記載の糖溶液の製造方法において、前記基質・糖化酵素混合液を流動可能な状態に糖化処理し、得られた前記一次糖化処理物の粘度が３０〜１０００Ｐａ・ｓの範囲になったときに、前記糖溶液を得る工程に移送することを特徴とする糖溶液の製造方法。
【請求項６】
基質としてのリグノセルロース系バイオマスを糖化する前に前処理を施して、該基質からリグニンが解離され、又は該基質が膨潤された糖化前処理物を得た後、該糖化前処理物を酵素糖化して糖溶液を得る糖溶液製造装置において、
該基質と、２０〜３０質量％の範囲の濃度のアンモニア水とを、基質：アンモニア水＝１：０．７〜１：１．３の範囲の質量比で混合して基質混合物を得て、得られた基質混合物を加熱して、２５〜１００℃の範囲の温度で、１〜１００時間の範囲の時間保持し、該基質からリグニンを解離し、又は該基質を膨潤させて、アンモニア含有糖化前処理物を得て、得られたアンモニア含有糖化前処理物からアンモニアガスを自然に放散させることによりアンモニアを分離して、実質的に非流動性の糖化前処理物を得て、アンモニア分離後の糖化前処理物のｐＨを３〜７の範囲に調整すると共に、糖化酵素を添加して、全量の１５〜３０質量％の範囲の該基質を含有する基質・糖化酵素混合液を得て、該基質・糖化酵素混合液を流動可能な状態に酵素糖化処理して一次糖化処理物を得る一次糖化処理手段と、
該一次糖化処理手段に、該アンモニア水を供給するアンモニア水供給手段と、
該一次糖化処理手段に、リン酸、硝酸又は硫酸の少なくとも１つの酸を添加して該糖化前処理物のｐＨを前記範囲に調整するｐＨ調整手段と、
該一次糖化処理手段に、糖化酵素を添加する糖化酵素添加手段と、
前記一次糖化処理物を外気に非接触の状態で移送する移送手段と、
前記移送手段により移送された前記一次糖化処理物を酵素糖化処理して二次糖化処理物としての糖溶液を得る二次糖化処理手段とを備えることを特徴とする糖溶液製造装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
発酵のために必要とされるエネルギーを低減することができる。そこで、前記基質・糖化酵素混合液において、基質としての前記リグノセルロース系バイオマスの濃度をできる限り高くすることが望まれる。
［００１７］
しかしながら、前記基質・糖化酵素混合液において、単に基質としての前記リグノセルロース系バイオマスの濃度を高くしたのでは、前記糖溶液として回収される糖が低減するという不都合がある。
［００１８］
本発明は、かかる事情に鑑み、基質としての前記リグノセルロース系バイオマスを糖化酵素処理したときに、前記糖溶液として得られる糖を増加させることができる糖溶液の製造方法を提供することを目的とする。
［００１９］
また、本発明は、前記糖溶液の製造方法に用いる糖溶液製造装置を提供することにもある。
課題を解決するための手段
［００２０］
かかる目的を達成するために、本発明は、基質としてのリグノセルロース系バイオマスを糖化する前に前処理を施して、該基質からリグニンが解離され、又は該基質が膨潤された糖化前処理物を得た後、該糖化前処理物を酵素糖化して糖溶液を得る糖溶液の製造方法において、該基質と、２０〜３０質量％の範囲の濃度のアンモニア水とを、基質：アンモニア水＝１：０．７〜１：１．３の範囲の質量比で混合して基質混合物を得る工程と、該基質混合物を加熱し、２５〜１００℃の範囲の温度に、１〜１００時間の範囲の時間保持して該基質からリグニンを解離し、又は該基質を膨潤させて、アンモニア含有糖化前処理物を得る工程と、該アンモニア含有糖化前処理物からアンモニアガスを自然に放散させることによりアンモニアを分離して糖化前処理物を得る工程と、アンモニア分離後の糖化前処理物に、リン酸、硝酸又は硫酸の少なくとも１つの酸を添加して該糖化前処理物のｐＨを３〜７の範囲に調整すると共に、糖化酵素を添加して、全量の１５〜３０質量％の範囲の該基質を含有する基質・糖化酵素混合液を得る工程と、該基質・糖化酵素混合液を流動可能な状態に酵素糖化処理して一次糖化処理物を得る工程と、該一次糖化処理物を外気に非接触の状態で次工程に移送し、酵素糖化処理して二次糖化処理物としての糖溶液を得る工程とを備
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
えることを特徴とする。
［００２１］
本発明の糖溶液の製造方法では、まず、基質としてのリグノセルロース系バイオマスと、アンモニア水とを混合して、基質混合物を得る。
［００２２］
前記基質混合物を得るために、従来の糖溶液の製造方法のように、液体アンモニアを用いると、基質混合物から分離されたアンモニアガスを、液体アンモニアとして再利用するためには、約２ＭＰａに加圧して液化させなければならず、コストが増大するという問題がある。
［００２３］
前記問題を解決するために、本発明の糖溶液の製造方法では、液体アンモニアに代えてアンモニア水を用いる。前記アンモニア水は、常圧で回収することができ、アンモニアに比較して容易に再利用に供することができる。
［００２４］
そこで、本発明の糖溶液の製造方法では、基質としてのリグノセルロース系バイオマスと、２０〜３０質量％の範囲の濃度のアンモニア水とを、基質：アンモニア水＝１：０．７〜１：１．３の質量比で混合することにより、基質混合物を得る。前記基質混合物では、前記アンモニア水に前記リグノセルロース系バイオマスが分散されると共に、該リグノセルロース系バイオマスに該アンモニア水が均一に含浸されている。
［００２５］
次に、本発明の糖溶液の製造方法では、前記基質混合物を加熱することにより、該基質からリグニンを解離し、又は該基質を膨潤させて、アンモニア含有糖化前処理物を得る。前記基質混合物を加熱すると、セルロース又はヘミセルロースとリグニンとの結合の少なくとも一部が化学的に切断されて解離される。また、前記リグノセルロース系バイオマスにおいて、アンモニア水の浸入によって結晶性セルロースを構成するセルロース若しくはヘミセルロースに空隙を生じ、又はセルロース繊維の内部に空隙を生じて、該結晶性セルロースが膨張し、膨潤する。
［００２６］
ここで、前記アンモニア水の濃度が２０質量％未満であるときは、前記基質からのリグニンの解離又は該基質の膨潤が不十分になる。一方、前記アンモニア水の濃度が３０質量％を超えても、前記基質からのリグニンの解離又は該基質の膨潤について、それ以上の効果を得ることはできない。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
ことができる。そこで、基質・糖化酵素混合液を前記糖化酵素により糖化処理することにより、糖溶液を得ることができる。
［００３３］
本発明の糖溶液の製造方法では、前記基質・糖化酵素混合液に含まれる前記基質の濃度を１５〜３０質量％の範囲とすることにより、該基質・糖化酵素混合液を糖化酵素処理したときに、前記糖溶液としてより多くの糖を得ることができる。
［００３４］
前記基質・糖化酵素混合液において、前記基質の濃度が１５質量％未満であるときには、該基質が少量であり、前記糖化酵素処理により得られる糖自体が少ないため、前記糖溶液として得られる糖が減少する。
［００３５］
一方、前記基質の濃度が３０質量％を超えるときには、前記糖化酵素処理の結果として該基質から生じるバイオマス残渣が増加し、該残渣に吸着して失われる糖が増加する。この結果、前記糖溶液として得られる糖が減少する。
［００３６］
ところで、前記アンモニアが分離された前記糖化前処理物は、実質的に流動性を備えていないので、そのままでは酵素糖化処理を行う工程に移送することが困難である。また、前記糖化前処理物を搬送容器等に収容して酵素糖化処理を行う工程に移送すると、移送する間に外気に接触し、雑菌が混入する虞がある。雑菌が混入すると、前記糖化前処理物を酵素糖化処理したときに、生成した糖が前記雑菌により消費されるので、前記糖溶液として得られる糖が減少する。
［００３７］
そこで、本発明の糖溶液の製造方法では、前記基質・糖化酵素混合液を流動可能な状態に酵素糖化処理して一次糖化処理物を得る工程と、該一次糖化処理物を外気に非接触の状態で次工程に移送し、酵素糖化処理して二次糖化処理物としての糖溶液を得る工程とを備える。
［００３８］
前記のように流動可能な状態に糖化処理された前記一次糖化処理物は、ポンプ等により、容易に次工程に移送することができる。そこで、流動可能な状態に糖化処理された前記一次糖化処理物を、外気に非接触で、次工程に移送することにより、雑菌が混入することを防止することができる。この結果
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
、前記一次糖化処理物をさらに酵素糖化処理する際に、生成された糖が雑菌により消費されることを抑制することができ、糖溶液としてさらに多くの糖を得ることができる。
［００３９］
また、前記基質・糖化酵素混合液を流動可能な状態に酵素糖化処理して一次糖化処理物を得る工程と、該一次糖化処理物を酵素糖化処理して二次糖化処理物としての糖溶液を得る工程とでは、酵素処理の条件が異なっている。すなわち、前記基質・糖化酵素混合液を流動可能な状態にするまでは、より厳しい条件で処理することが必要とされるが、一旦流動可能な状態になれば、より緩やかな条件で処理することができる。
［００４０］
従って、前記糖化酵素処理は、前記基質・糖化酵素混合液を流動可能な状態に酵素糖化処理して前記一次糖化処理物を得る工程と、該一次糖化処理物を酵素糖化処理して二次糖化処理物としての糖溶液を得る工程とに分けることにより、効率よく処理することができる。
［００４１］
本発明の糖溶液の製造方法では、前記基質・糖化酵素混合液と、前記流動可能な状態に糖化された一次糖化処理物とを、いずれもセルロース及びヘミセルロースを分解する酵素を用いて糖化処理することが好ましい。このようにすることにより、前記基質・糖化酵素混合液と、前記一次糖化処理物とのいずれにおいても、セルロースとヘミセルロースとの両方から糖を得ることができ、前記糖溶液としてより多くの糖を得ることができる。
［００４２］
また、本発明の糖溶液の製造方法では、前記基質・糖化酵素混合液を流動可能な状態に糖化処理し、得られた前記一次糖化処理物の粘度が３０〜１０００Ｐａ・ｓの範囲になったときに、前記糖溶液を得る工程に移送することが好ましい。
［００４３］
前記一次糖化処理物の粘度が１０００Ｐａ・ｓを超えると、ポンプ等による移送が困難になることがある。また、前記一次糖化処理物の粘度を３０Ｐａ・ｓ未満にするには、所定温度に長時間保持する必要があるため、製造コストを低減することが難しくなる。
［００４４］
本発明の糖溶液の製造方法は、本発明の糖溶液製造装置を用いることによ
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
り、有利に実施することができる。
［００４５］
本発明の糖溶液製造装置は、基質としてのリグノセルロース系バイオマスを糖化する前に前処理を施して、該基質からリグニンが解離され、又は該基質が膨潤された糖化前処理物を得た後、該糖化前処理物を酵素糖化して糖溶液を得る糖溶液製造装置において、該基質と、２０〜３０質量％の範囲の濃度のアンモニア水とを、基質：アンモニア水＝１：０．７〜１：１．３の範囲の質量比で混合して基質混合物を得て、得られた基質混合物を加熱して、２５〜１００℃の範囲の温度で、１〜１００時間の範囲の時間保持し、該基質からリグニンを解離し、又は該基質を膨潤させて、アンモニア含有糖化前処理物を得て、得られたアンモニア含有糖化前処理物からアンモニアガスを自然に放散させることによりアンモニアを分離して、糖化前処理物を得て、アンモニア分離後の糖化前処理物のｐＨを３〜７の範囲に調整すると共に、糖化酵素を添加して、全量の１５〜３０質量％の範囲の該基質を含有する基質・糖化酵素混合液を得て、該基質・糖化酵素混合液を流動可能な状態に酵素糖化処理して一次糖化処理物を得る一次糖化処理手段と、該一次糖化処理手段に、該アンモニア水を供給するアンモニア水供給手段と、該一次糖化処理手段に、リン酸、硝酸又は硫酸の少なくとも１つの酸を添加して該糖化前処理物のｐＨを前記範囲に調整するｐＨ調整手段と、該一次糖化処理手段に、糖化酵素を添加する糖化酵素添加手段と、前記一次糖化処理物を外気に非接触の状態で移送する移送手段と、前記移送手段により移送された前記一次糖化処理物を酵素糖化処理して二次糖化処理物としての糖溶液を得る二次糖化処理手段とを備えることを特徴とする。
図面の簡単な説明
［図１］本発明の糖溶液製造装置の一構成例を示すシステム構成図。
［図２］基質混合物において、リグノセルロース系バイオマスに添加されるアンモニア水の濃度と、酵素糖化における糖化率との関係を示すグラフ。
［図３］基質混合物において、リグノセルロース系バイオマス１質量部に対して添加されるアンモニア水の質量と、酵素糖化における糖化率との関係を示すグラフ。
【国際調査報告】
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